兩步燒結(jié)制備鋁電解惰性陽(yáng)極材料的研究.pdf

1、傳統(tǒng)Hall-Héroult鋁電解槽由于采用消耗式炭素陽(yáng)極而存在能耗高，炭耗大，成本高和環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題。因惰性陽(yáng)極能夠克服以上問(wèn)題而成為鋁業(yè)界的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。研究者們進(jìn)行了大量的研究和嘗試力圖尋求符合鋁電解工業(yè)應(yīng)用的惰性陽(yáng)極材料。 由于氧化物陶瓷陽(yáng)極導(dǎo)電性能不佳，金屬合金陽(yáng)極難以動(dòng)態(tài)控制其鈍化膜厚度，而金屬陶瓷復(fù)合材料兼?zhèn)溆刑沾傻膹?qiáng)抗腐蝕性和金屬的良好導(dǎo)電性能，因此本文選擇鎳鐵尖晶石基金屬陶瓷材料作為鋁電解惰性陽(yáng)極的研究對(duì)

2、象。 在合成NiFe2O4尖晶石(NiO過(guò)量15％)的過(guò)程中，首次向原料Fe2O3和NiO粉末中引入了添加劑MnO2、TiO2、V2O5。研究了各種添加劑對(duì)燒結(jié)及NiFe2O4尖晶石性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)三種添加劑對(duì)燒結(jié)都起到了促進(jìn)作用，另外還能提高材料各方面的性能。添加MnO2后材料的綜合性能良好，材料的密度增加，電導(dǎo)率提高，抗腐蝕性增強(qiáng)，抗彎強(qiáng)度和抗熱震性得到很好改善；TiO2對(duì)材料的電導(dǎo)率，抗彎強(qiáng)度和抗熱震性貢獻(xiàn)很大;V2O

3、5對(duì)提高材料的抗腐蝕性貢獻(xiàn)非常大，添加2.0％V2O5能使基體材料的靜態(tài)熱腐蝕率降低為無(wú)添加劑材料的1/46。 由于一步燒結(jié)存在成品率較低，抗彎強(qiáng)度和抗熱震性較差，陽(yáng)極在電解的過(guò)程中出現(xiàn)裂紋等缺點(diǎn)，本文采用兩步燒結(jié)的工藝制備惰性陽(yáng)極試樣，首次提出原料采用粒度配比。制備陽(yáng)極材料時(shí)，首先在1000℃的預(yù)燒溫度下合成摻雜的鎳鐵尖晶石基體材料。接著，針對(duì)不同規(guī)格的試樣確定出了原料的最佳粒度配比。隨后，通過(guò)五因素四水平的正交試驗(yàn)最終確定制

4、備φ30×Xmm的金屬陶瓷惰性陽(yáng)極的工藝為：成型壓力160MPa;燒結(jié)溫度1350℃；保溫時(shí)間6小時(shí)；原料的主顆粒直徑為0.50～0.355mm，填充顆粒直徑為0.105～0.074mm，細(xì)粉為0.074mm以下的粉料；金屬銀的添加量為10％。在最佳工藝條件下制備了陽(yáng)極試樣，對(duì)其性能進(jìn)行了考察，發(fā)現(xiàn)兩步燒結(jié)得到的陽(yáng)極試樣致密度高，抗腐蝕性強(qiáng)、抗彎強(qiáng)度和抗熱震性好，電解腐蝕過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)陽(yáng)極開(kāi)裂，剝落的現(xiàn)象。另外還發(fā)現(xiàn)，金屬銀能夠沿著陶瓷

5、顆粒的輪廓分布，形成聯(lián)通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)能夠使得導(dǎo)電電子形成連通的通路，從而提高試樣的電導(dǎo)率。比較一步燒結(jié)和兩步燒結(jié)得到的陽(yáng)極試樣的性能，發(fā)現(xiàn)兩步燒結(jié)得到的試樣各方面性能均要優(yōu)于一步燒結(jié)得到的試樣。 研究了添加劑V2O5和MnO2對(duì)惰性陽(yáng)極試樣性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，添加V2O5的惰性陽(yáng)極試樣電導(dǎo)率和抗腐蝕性明顯提高，添加2.0％V2O5的試樣960℃下的電導(dǎo)率為無(wú)添加試樣的6倍；添加2.0％V2O5的試樣電解腐蝕率為無(wú)添加